Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben de dynamiek van de actieve site van een katalysator in drie dimensies in kaart gebracht. Deze prestatie geeft onderzoekers nieuwe inzichten in hoe deze katalysatoren werken, en mogelijke paden om hun selectiviteit en efficiëntie te verbeteren.

Katalysatoren worden gebruikt om de snelheid van chemische reacties te versnellen en hebben duizenden toepassingen in aardolieraffinage, productie van biobrandstoffen, voedselverwerking, farmaceutica en productie. Mensen gebruiken al duizenden jaren katalysatoren, veel langer dan het concept door de wetenschap is begrepen en bestudeerd, dat is meer dan 200 jaar. En ondanks al die geschiedenis, mysteries blijven over hoe katalysatoren precies werken, waarbij details op angstrom-niveau ontbreken in het complete plaatje.

Een belangrijk onderdeel van het succes van een katalysator wordt verondersteld te zijn het vermogen om zijn conformatie te veranderen om zichzelf te vormen naar de binnenkomende reactanten, daarbij hun interactie en chemische transformatie te vergemakkelijken. Deze dynamische herschikking is enigszins vergelijkbaar met de manier waarop aangehechte koraalpoliepen reageren als oceaanwater voedingsstoffen over hen laat stromen.

"Eerder onderzoek heeft aangetoond dat de dynamiek van katalysatoren een belangrijke invloed heeft op de katalytische prestaties, " zei Ames Laboratory-wetenschapper Frederic Perras. "Maar tot voor kort, we hadden niet de mogelijkheden om ze op dat detailniveau te observeren. Met recente ontwikkelingen in nucleaire magnetische resonantie (NMR) technieken, we kunnen een veel duidelijker beeld krijgen van deze bewegingen op atomair niveau."

In dit onderzoek, de wetenschappers vergeleken de structurele dynamiek van een op scandium gebaseerde katalysator in zijn kristallijne vorm met die van de op het oppervlak gemonteerde vorm van silica met behulp van geavanceerde technieken in solid state nucleaire magnetische resonantie (SSNMR) en dynamische nucleaire polarisatie (DNP). Deze vergelijkingen, gecombineerd door computationele modellering, een duidelijkere, meer gedetailleerd begrip van hoe ondersteunde complexen bewegen in de driedimensionale ruimte. Een belangrijke bevinding van de studie was dat moleculaire dynamica-simulaties meer bewegingen met een grote amplitude voorspelden dan experimenteel werden waargenomen, suggereerde dat de oppervlaktetopologie zelf deze bewegingen kan beperken. Aanvullende studies zullen worden uitgevoerd om te bepalen of het mogelijk is om de dynamiek van een katalytische site af te stemmen door de topologie van de drager te veranderen.

Het onderzoek wordt verder besproken in het artikel "Observing the three-dimensional dynamics of supported metal complexs, " gepubliceerd in Anorganische Chemie Grenzen .